CN101415794A - 潜热输送装置用工作液及潜热输送装置的工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供不会引起臭氧层的破坏、温室效应等对环境的恶劣影响，在－50～200℃的工作温度下稳定地表现出高性能的潜热输送装置用工作液。它是含有以C4F9C2H5、C6F13C2H5为代表的CnF2n+1－CmH2m+1(n为2～8的整数，m为1～3的整数)表示的化合物的潜热输送装置用工作液。还提供使采用上述工作液的潜热输送装置于－50～200℃的工作温度下工作的潜热输送装置(热管等)的工作方法。

Description

潜热输送装置用工作液及潜热输送装置的工作方法
技术领域
本发明涉及潜热输送装置用的工作液，以及使用该工作液的潜热输送装置的工作方法。
背景技术
以往，已知利用封入装置内的工作液的蒸发、沸腾、凝结等现象进行潜热输送的潜热输送装置。作为潜热输送装置，例如可例举热管及二相密闭型热虹吸装置。热管是利用由设置于内部的管芯(毛细管结构体)产生的毛细管力传递热的装置，二相密闭型热虹吸装置是利用重力、离心力传递热的装置，不使用任何的泵等外部动力即可使工作液循环这点是它们的一大特征。
热管适用于半导体元件和电子设备的发热部的冷却装置等比较小型的冷却装置；二相密闭型热虹吸装置无需管芯、构造简单，因此被广泛用于气—气型热交换器、促进道路融雪及防止冻结等。
下面，以热管为例就作为工作液所要求的性能进行说明。
热管是以管状容器的一端作为蒸发部，另一端作为凝结部传热的传热元件。一般热管的传热特性为封入热管主体的工作液所左右。一般来说，于常压下的沸点附近使用时表现出良好的特性。
热管的原理很简单。如果管的一端被加热，则工作液于该处蒸发并吸收热量。蒸发的气体于管中扩散，在另一端(低温部)放出潜热并凝结。液体因重力或毛管力再次回到管的一端(高温部)，从高温部向低温部输送热量。
热管主要由(1)工作液、(2)管芯或毛管结构及(3)容器或管壳(container)3要素构成。作为工作液所要求的必需条件如下所述，但首先必须考虑的是工作蒸气温度范围。
(1)对管芯及管壳材料的适合性。
(2)热稳定性好。
(3)对管芯及管壳材料的浸润性好(接触角为0或非常小)。
(4)工作温度范围内的蒸气压不会过高或过低。
(5)蒸发潜热大。
(6)热传导率大。
(7)气液两相的粘性率小。
(8)表面张力大。
(9)凝固点或熔点适宜。
一般使用以下式2表示的优值系数(日语：メリツト数)M(kJ/(m2·s))作为决定最大热输送量的工作液的特性值。优值系数M越大工作液的最大热输送量越大。
M＝ρσL/μ　…式2
式中，ρ为工作液的密度(kg/m3)，σ为工作液的表面张力(N/m)，L为工作液的蒸发潜热(kJ/kg)，μ为工作液的粘度(Pa·s)。
优值系数随温度变化。
以往，使用水、氨、甲醇、氯氟烃(CFC类)、氢氯氟烃(HCFC类)等作为热管的工作液。但是，存在水在寒冷地区会冻结的问题。此外，氨不仅有必要考虑与热管容器材质的适应性，还因为恶臭、毒性使得使用很烦杂。对于甲醇，也存在腐蚀铝及不锈钢容器的问题。此外，由于会成为臭氧层破坏的原因，因此CFC类和HCFC类是受限制的化合物。
为解决这些问题，提出了以下方法。
例如，专利文献1中，提出了使用n—全氟己烷作为热管和热虹吸的工作流体的技术方案。此外，专利文献2中，提出了一种热管用工作液，该工作液含有95％以上的C6F14等全氟化碳，且沸点较该全氟化碳低的氟化碳化合物的含量在1％以下。但是，这些工作液存在热传递效率差、温室效应严重的问题。
专利文献1：日本专利特开昭59-12288号公报(专利权利要求的范围)
专利文献2：日本专利第2726542号公报(专利权利要求的范围)
发明的揭示
本发明的目的是提供不会引起臭氧层的破坏、温室效应等对环境的恶劣影响，在—50～200℃的工作温度下稳定地表现出高性能的潜热输送装置用工作液。
本发明具有以下技术内容。
1.潜热输送装置用工作液的特征在于，含有以下述式1表示的化合物。
CnF2n+1—CmH2m+1…式1
(式1中，n为2～8的整数，m为1～3的整数。)
2.上述1记载的潜热输送装置用工作液中，以式1表示的化合物的含量比例为50质量％以上。
3.上述1或2记载的潜热输送装置用工作液中，以式1表示的化合物为C4F9C2H5(1，1，1，2，2，3，3，4，4-九氟己烷)或C6F13C2H5(1，1，1，2，2，3，3，4，4，5，5，6，6，-十三氟辛烷)。
4.上述1，2或3记载的潜热输送装置用工作液中，进一步含有碳数1～4的醇。
5.上述4记载的潜热输送装置用工作液由以式1表示的化合物和碳数1～4的醇形成的组合物构成，该组合物中以式1表示的化合物的含量比例为90～99质量％，上述醇的含量比例为1～10质量％。
6.上述4或5记载的潜热输送装置用工作液中，碳数1～4的醇是选自甲醇、乙醇、1—丙醇、2—丙醇及正丁醇的一种以上的醇。
7.上述1～6中任一项记载的潜热输送装置用工作液中，进一步含有选自耐氧化性增强剂、耐热性增强剂及金属减活剂的一种以上的稳定剂。
8.潜热输送装置的工作方法，使采用上述1～7中任一项所述的工作液的潜热输送装置于—50～200℃的工作温度下工作。
9.上述8记载的潜热输送装置的工作方法中，潜热输送装置为热管。
本发明的潜热输送装置用工作液与以往的工作液比较，其优值系数大，热传递效率非常良好。此外，对作为潜热输送装置部件使用的不锈钢和铝具有高耐氧化性及耐腐蚀性。还具有能以原有形态在以往的系统中使用的优点。而且，不会引起臭氧层的破坏、温室效应等对环境的恶劣影响。
对附图的简单说明
图1是表示各工作液的优值系数与工作温度的相关性的图。
实施发明的最佳方式
本发明为潜热输送装置用工作液。所谓潜热输送装置，是利用封入装置内的工作液的蒸发、沸腾、凝结等现象进行潜热输送的装置，作为代表性的装置，可例举热管及二相密闭型热虹吸装置。
本发明的工作液含有以下述式1表示的化合物。式1中，n为2～8的整数，m为1～3的整数。
CnF2n+1—CmH2m+1…式1
以上述式1表示的化合物的热输送量大、粘度低、凝固点低、具有适度的蒸气压、不燃性和稳定性高、与一般材料的适应性优良、不易使接触的物品腐蚀等，因而是优良的工作液。
以式1表示的化合物的结构可以是直链状或支链状中的任一种，但更好的是直链状化合物。
作为以式1表示的化合物，较好的是n为4～6的整数，m为2的化合物，具体地说，较好的是C4F9C2H5及C6F13C2H5。
本发明的工作液中，以式1表示的化合物的含量比例较好为50质量％以上，特好为80质量％以上，进一步更好为90质量％以上。
此外，本发明的工作液中，以式1表示的化合物不满100质量％时，作为所含的其它成分，较好的是选自烃类、卤代烃类(但以式1表示的化合物除外)、醇类、含氟醇类、酮类及含氟醚类的1种以上的成分。其中，含有烃类或醇类时，可增大工作液的优值系数，因而较好。
本发明的工作液含有上述其它成分时，为使工作液的蒸发、凝结时的温度变化以及气液两相的组成变化最小，并确保稳定的工作状态，该工作液的组成最好形成为共沸组成或类共沸组成。
这里，所谓类共沸组成是指露点和沸点的温度差为0.5℃以内的组成比。其中，特好的是蒸气温度差为0.1℃以内的类共沸组成。
作为上述烃类，较好的是碳数6～8的链状(直链状或支链状)或环状的饱和烃类。此外，作为烃类具体可例举正戊烷、环戊烷、正己烷、正庚烷等。
本发明的工作液含有烃类时，从增大工作液的优值系数的角度考虑，其含量比例较好为0.5～50质量％，特好为1～10质量％。
作为上述卤代烃类，较好的是碳数1～4的饱和氯化烃类、碳数2或3的不饱和氯化烃类。作为卤代烃类，具体可例举1，1—二氯—2，2，3，3，3—五氟丙烷、1，3—二氯—1，1，2，2，3—五氟丙烷等氢氯氟烃类(以下称为HCFC类)；二氟甲烷、1，1，1，2，2—五氟乙烷、1，1，1，2—四氟乙烷、1，1，1—三氟乙烷、1，1—二氟乙烷、1，1，1，2，3，3，3—七氟丙烷、1，1，1，2，2，3，3—七氟丙烷、1，1，1，3，3，3—六氟丙烷、1，1，1，3，3—五氟丙烷、1，1，2，2，3—五氟丙烷、1，1，1，3，3—五氟丁烷、1，1，1，2，2，3，4，5，5，5—十氟戊烷、1，1，2，2，3，3，4—七氟环戊烷等氢氟烃类(以下称为HCF类)；二氯甲烷、三氯乙烯等氯烃类(以下称为CC类)；1—溴化丙烷等。
为使工作液的凝固点下降和优值系数增大，可使其含有上述卤代烃类，该卤代烃类的含量比例较好为0.1～50质量％，特好为0.5～20质量％。
作为上述醇类，可以是碳数1～4的醇类、较好为1～3的醇类，具体可例举选自甲醇、乙醇、1—丙醇、2—丙醇及正丁醇的一种以上的醇。
本发明的工作液含有醇类时，具有以较小的含量比例即可显著增大优值系数、不燃性等优点。醇类的含量比例较好为0.5～15质量％，特好为1～10质量％。
作为本发明的工作液，特好是以式2表示的化合物与碳数1～4、优选碳数1～3的醇形成的组合物；其中，以式1表示的化合物的含量比例为85～99.5质量％、较好为90～99质量％，上述醇的含量比例为0.5～15质量％、较好为1～10质量％。
其中，特好的是碳数1～4的醇是选自甲醇、乙醇、1—丙醇、2—丙醇及正丁醇的一种以上的醇的情况。
接着，作为上述含氟醇类，优选碳数2～4、更好为碳数3～4的部分氟化醇类，具体可例举2，2，2—三氟乙醇、2，2，3，3—四氟丙醇等。
含氟醇类的含量比例较好为0.5～20质量％、特好为1～15质量％。
此外，作为上述酮类，较好的是碳数为3的酮类，具体可例举丙酮。
此外，作为上述含氟醚类，较好的是以通式CaF2a+1—O—CbH2b+1(a为1～6、较好为2～4的整数，b为1～4、较好为1～3的整数。)表示的化合物。特好的是C3F7OCH3、C4F9OCH3或C4F9OC2H5。此外，也可使用CF3CH2OCHF2(HFE—245mf)、CF3CF2CH2OCHF2(HFE—347mcf)、CHF2CF2OCH2CF3(HFE—347pc—f)、CF3CHFCF2OCH2CF3(HFE—449mec—f)、CF3CHFCF2OCH2CF2CHF2(HFE—55—10mec—fc)等。
上述含氟醚类的含量比例较好为0.1～50质量％，特好为1～20质量％。
本发明的潜热输送装置用工作液即使直接使用，对热和氧化物的稳定性也很高，但是当含有耐氧化性增强剂、耐热性增强剂及金属减活剂等稳定剂时，各稳定性显著提高。较好的是根据需要含有上述稳定剂。
通常，上述稳定剂能够在不使热管用工作液的性能低下的范围内添加，其在工作液中的含量比例为5质量％以下，较好的是1质量％以下。
作为耐氧化性增强剂及耐热性增强剂，具体可例举N，N’—二苯基亚苯基二胺、p—辛基二苯胺、p，p’—二辛基二苯胺、N—苯基—1—萘胺、N—苯基—2—萘胺、N—(p—十二烷基)苯基—2—萘胺、二—1—萘胺、二—2—萘胺、N—烷基吩噻嗪、6—(t—丁基)苯酚、2，6—二—(t—丁基)苯酚、4—甲基—2，6—二—(t—丁基)苯酚、4，4’—亚甲基双(2，6—二—t—丁基苯酚)等，可进一步例举它们的2种以上的混合物。
作为金属减活剂，具体可例举咪唑、苯并咪唑、2—巯基苯并噻唑、2，5—二巯基噻二唑、亚水杨基(salicylidine)—丙二胺、吡唑、苯并三唑、甲苯三唑(tolutriazole)、2—甲基苯并咪唑、3，5—二甲基吡唑及亚甲基双—苯并三唑等。
使用本发明的工作液的潜热输送装置可在—50～200℃的工作温度下工作。使用本发明的工作液时，在上述温度范围内稳定地显现出高性能。工作温度为0～150℃时，显现出更高性能，因此特佳。
实施例
下面，通过实施例对本发明进行说明，但不对其进行限定性的解释。
<—50～200℃下的优值系数的计算>
对以下的工作液，按式1算出其在—50～200℃下的优值系数。结果如图1所示。
例1(实施例)：工作液为C4F9C2H5。
例2(实施例)：工作液为C6F13C2H5。
例3(比较例)：工作液为C6F14(n—全氟己烷)。
例4(比较例)：工作液为C6F13H。
由图1可知，实施例的C4F9C2H5在整个工作温度范围内均具有较比较例的C6F14(n—全氟己烷)及C6F13H大的优值系数。另一方面，C6F13C2H5在50℃以上的工作温度范围内均具有较比较例的n—全氟己烷及C6F13H大的优值系数，特别是在约110℃以上的高温范围内具有最大的优值系数。
即，可认为将C4F9C2H5及/或C6F13C2H5作为工作液使用的实施例显现出优良的热传递效率。
<25℃及标准沸点下的优值系数的计算>
对表1所示的工作液，算出其在25℃下的优值系数以及在标准沸点下的优值系数。
例5～10为实施例，例11～14为比较例。另外，例7、例8、例13及例14的工作液为类共沸组合物。
另外，例9及例10的标准沸点为推算值。
可知，例5及例6中记载的本发明的工作液均具有大优值系数，与作为以往的工作液的例11及例12相比具有极大的热输送量。
此外，可知如例7、例8及例10所述添加了醇类时，或如例9所述添加了烃类时，优值系数进一步增大。特别是作为本实施例的例7、例8及例10与作为比较例的例13及例14相比，其优值系数的增加显著，在标准沸点下不论在何种条件下均大大高于比较例，具有极大的热传输量。
表1
 
例 工作液()内为质量％ 25℃下的优值系数M(kJ/(m2·s)) 标准沸点下的优值系数M(kJ/(m2·s)) 标准沸点(℃)
5 C4F9C2H5(100) 4.41×106 4.49×106 67.5
6 C6F13C2H5(100) 2.79×106 3.54×106 114
7 C4F9C2H5(91)/乙醇(9) 6.72×106 6.97×106 57.5
8 C4F9C2H5(90.3)/2—丙醇(9.7) 5.25×106 6.44×106 60.2
9 C4F9C2H5(90)/正庚烷(10) 5.32×106 5.32×106 65
10 C6F13C2H5(90)/2—丙醇(10) 3.82×106 5.58×106 107
11 C6F14(100) 3.29×106 3.00×106 56.7
12 C6F13H(100) 2.93×106 3.10×106 70.8
13 C6F13H(91.3)/乙醇(8.7) 5.07×106 5.40×106 61
14 C6F13H(90.9)/2—丙醇(9.1) 4.05×106 4.93×106 64
<用于笔记本电脑的冷却>
就将本发明的工作液以小型热管的形态应用于笔记本电脑的冷却的具体方式进行说明。
在直径1.5mm、长20cm的铜制管的内表面配置不锈钢的网状结构物，在其内部封入作为工作液的C4F9C2H5(例1)。将该管的一端作为蒸发部分，与作为笔记本电脑的发热部分的CPU(中央处理单元，Central Processing Unit)接触。将另一端作为凝结部分与散热板焊接，并使该散热板与液晶屏内侧的散热板接触。
利用以上结构，笔记本电脑的CPU发出的热量可通过工作液C4F9C2H5的气化而传递至凝结部分。该热量介以散热板向外部扩散，同时气化了的工作液被凝结液化。液化了的C4F9C2H5可依靠毛细管作用在网状结构的管芯内移动，向蒸发部循环。
利用以上结构，笔记本电脑的结构可以非常紧凑，并且与以往的电脑相比散热效果优良。可提供寒冷地区及高温地区的耐用性良好的电脑。
产业上利用的可能性
本发明的工作液可用于在计算机、通信设备、整流装置或电动机等中使用的半导体元件、电子设备、电力设备等的冷却，以及车床和钻床等工程机械的轴承等的冷却或空调用热交换器等。
这里引用2006年4月6日提出申请的日本专利申请2006-105312号的说明书、权利要求书、附图以及摘要的全部内容作为本发明的说明书的揭示。

Claims (9)

1.潜热输送装置用工作液，其特征在于，含有以下述式1表示的化合物，
CnF2n+1—CmH2m+1…式1
式1中，n为2～8的整数，m为1～3的整数。
2.如权利要求1所述的潜热输送装置用工作液，其特征在于，以式1表示的化合物的含量比例为50质量％以上。
3.如权利要求1或2所述的潜热输送装置用工作液，其特征在于，以式1表示的化合物为C4F9C2H5或C6F13C2H5。
4.如权利要求1～3中任一项所述的潜热输送装置用工作液，其特征在于，还含有碳数1～4的醇。
5.如权利要求4所述的潜热输送装置用工作液，其特征在于，由以式1表示的化合物和碳数1～4的醇形成的组合物构成，该组合物中以式1表示的化合物的含量比例为90～99质量％，上述醇的含量比例为1～10质量％。
6.如权利要求4或5所述的潜热输送装置用工作液，其特征在于，碳数1～4的醇是选自甲醇、乙醇、1—丙醇、2—丙醇及正丁醇的一种以上的醇。
7.如权利要求1～6中任一项所述的潜热输送装置用工作液，其特征在于，还含有选自耐氧化性增强剂、耐热性增强剂及金属减活剂的一种以上的稳定剂。
8.潜热输送装置的工作方法，其特征在于，使采用权利要求1～7中任一项所述的工作液的潜热输送装置在—50～200℃的工作温度下工作。
9.如权利要求8所述的潜热输送装置的工作方法，其特征在于，潜热输送装置为热管。
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